Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago, de Harvard, de Stony Brook University et de Quantinuum ont démontré expérimentalement l’ensemble des opérations nécessaires à l’informatique quantique universelle fondée sur des anyons non abéliens. Publiée dans Nature, l’étude a fourni la première preuve expérimentale que cette approche pouvait offrir un ensemble d’opérations suffisamment large pour exécuter différents algorithmes quantiques.
Les ordinateurs quantiques étant très sensibles aux erreurs, les informations sont généralement réparties sur un grand nombre de qubits physiques. Toutefois, les méthodes de correction d’erreurs ne fournissent pas automatiquement toutes les opérations nécessaires à l’informatique universelle sur les informations protégées. La production des « états magiques » utilisés pour remédier à cette lacune nécessite un processus coûteux, appelé distillation des états magiques, qui peut consommer un grand nombre de qubits. Les chercheurs ont indiqué que les codes non abéliens pouvaient éliminer cette étape.
Les anyons non abéliens n’existent pas dans la nature en tant que particules indépendantes ; ils sont créés dans des circuits quantiques par l’intrication d’un grand nombre de qubits conventionnels. L’information est traitée lorsque les états internes des anyons changent quand l’un d’eux est déplacé autour d’un autre. Dans ces opérations de « tressage », l’ordre des déplacements est important. La répartition de l’information sur un grand nombre de qubits intriqués peut également la protéger contre certaines petites perturbations.
En 2024, les chercheurs avaient produit, sur l’ordinateur quantique à ions piégés de Quantinuum, des anyons associés au groupe de symétrie D4, qui préserve les rotations et les réflexions du carré. Toutefois, le seul tressage n’avait pas suffi à l’informatique universelle. Dans la nouvelle étude, l’équipe a utilisé la symétrie S3, qui préserve les rotations et les réflexions miroir d’un triangle équilatéral, pour créer des anyons avec 54 qubits intriqués sur le processeur H2 de Quantinuum.
Dans le système S3, l’universalité repose sur l’utilisation du tressage conjointement avec l’opération de « fusion ». Lors de cette opération, deux anyons sont réunis et l’état qui en résulte est mesuré. L’équipe a créé des qutrits topologiques porteurs de trois niveaux d’information, plutôt que des qubits binaires. Le tressage a permis de réaliser une porte d’intrication, tandis que la fusion a permis d’effectuer deux mesures différentes. Ensemble, ces trois outils rendent en principe possible toute opération quantique, y compris celles que le tressage seul ne pouvait pas réaliser.
L’expérience a également permis de produire directement un état magique au moyen d’opérations topologiques, mais aucune correction d’erreurs active n’a été appliquée. Les chercheurs ont indiqué que l’étape suivante consisterait à combiner ces opérations avec une correction d’erreurs active.
Pourquoi est-ce important ?
L’importance de cette étude tient au fait qu’elle montre une voie qui pourrait constituer une alternative à la distillation d’états magiques utilisée pour fournir la diversité d’opérations nécessaire à l’informatique quantique universelle. Cette approche soulève la question de savoir s’il serait possible de réduire les ressources nécessaires au traitement d’informations réparties sur un grand nombre de qubits physiques dans des systèmes corrigés des erreurs. Ces résultats ouvrent un nouveau champ d’étude, tant pour les chercheurs que pour les équipes développant du matériel quantique, en vue de permettre aux algorithmes quantiques de ne pas être limités à certaines opérations seulement. Toutefois, l’expérience n’a pas directement évalué, pendant le traitement, la capacité de la méthode à se protéger contre de petites perturbations. La question reste donc de savoir dans quelle mesure les opérations démontrées seraient fiables et réalisables du point de vue des ressources lorsqu’elles seraient combinées à une correction d’erreurs active.